Lielāko daļu zemes virsmas klāj nogulumiežu veids, jo tas veidojas no nogulumu slāņiem, kas atrodas viens virs otra. Viena no nogulumiežu raksturīgajām iezīmēm ir lielais tajos esošo fosiliju daudzums. Visu veidu izmirušie augi un dzīvnieki ir saglabājušies smiltīs, dūņās vai dubļos no seniem laikiem.
Laika gaitā dzīvnieku līķus uz nogulumiežu virsmām pārklāj dūņas. Kauli tiek mineralizēti, kā rezultātā minerāli aizstāj oriģinālās organiskās vielas, atstājot ķermeņa apmetumu. Ilgu laiku organisms pilnībā tiek aizstāts ar izturīgiem minerāliem. Koksnes pārakmeņošanā celulozes un koksnes šķiedras tiek aizstātas ar minerālvielām, piemēram, silīcija dioksīdu.
Fosilijas dažreiz ir saglabājušās pat smalkas iezīmes. Mušu acis un smalkie tauriņu spārni ir atrasti saglabājušies fosilijās. Tomēr lielākā daļa fosiliju ir biezi čaumalas vai skeleti. Dzīvnieki ar noturīgām fosilijām ir arī daži no visplašāk pētītajiem un saprotamākajiem.
Pārsteidzoši, ka kaut kas tik mīksts un smalks kā smiltis var pārvērsties par kaut ko tik stingru kā fosilija. Iemesls ir spiediena ietekmē, kas tiek pakļauts nogulumos, kad tās tiek apraktas arvien tālāk. Uz katrām 100 pēdām (31 metram) dziļuma vidējā temperatūra paaugstinās par aptuveni 1°C. Vidējais spiediens palielinās par aptuveni 1 ppsi (mārciņa uz kvadrātcollu) jeb aptuveni 7 kilopaskāliem uz katru pēdu (31 centimetru) dziļuma. Paaugstināts spiediens un temperatūra noved pie procesa, ko sauc par sablīvēšanos, kurā nogulumos esošās smalkās daļiņas tiek cieši sastrādātas viena otrā un kļūst par akmeņiem.
Dūņas tiek attīrītas no ūdens blīvēšanas procesā, kļūstot par akmeņiem. Dažreiz paaugstinātā siltuma rezultātā materiāls tiek pakļauts ķīmiskām pārvērtībām, ko sauc par cementēšanu, kā rezultātā minerāli, piemēram, kalcīts, silīcija dioksīds un dzelzs oksīds, uz nogulumu virsmas veido plēves. Šādi top fosilijas. Minerāli arī aizņem gaisa kabatas starp smilšu molekulām.
Fosilijas var saglabāt arī lietas, kas nav reāli ķermeņi. Ir atrastas pēdas, pēdas, takas un urkas. Tā kā ogles pati par sevi ir sablīvēta veģetācija, tajās var atrast daudzas fosilijas.